Programmierung in der KI. KI-Programmierung Ð Aufgaben. 2 Modellierung und Programmierung. Methoden der KŸnstlichen Intelligenz

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1 Programmierstie 2 Modeierung und Programmierung 6. Voresung: KI-Programmierung. Lisp, PROLOG. Regebasiertes Programmieren Methoden der KŸnstichen Inteigenz Ipke Wachsmuth ÊWS 2000/2001 Die zugrundeiegenden Verarbeitungsmodee (Programmiersprache + ausführende Maschine) sind sehr verschieden. Prozeduraer Programmiersti Schrittweise ausgeführte Fogen von Anweisungen (Prozeduren) modifizieren Daten in einem Speicher Funktionaer Programmiersti Berechnung durch Auswertung von Funktionen (Abbidung von Definitionsbereich in Wertebereich) Logikorientierter Programmiersti Dekarative Notierung von Probem und Lösungs"wissen" as ogische Formen, Berechnung durch Theorembeweisen Objektorientierter Programmiersti Berechnung durch Kommunikation: Austausch von Nachrichten zwischen aktiven unabhängigen Objekten Regebasierter Programmiersti Berechnung durch Regeanwendung und deren Vorwärtsoder Rückwärtsverkettung 6. Voresung Methoden der KŸnstichen Inteigenz 2 Programmierung in der KI Typische Anwendungen für KI-Methoden: Verarbeitung natüricher Sprache Bidverarbeitung Konstruktion (tei-)autonomer Systeme (z.b. Roboter) maschinees Probemösen Entscheidungsunterstützung/Expertensysteme Aufgaben i.a. sehr kompex und auf abstraktem Niveau Lösungsansätze basieren häufig auf kognitiven Modeen Kassen von Probemen führen zu probemspezifischen Verarbeitungsmodeen (auf höherer Ebene as programmiersprachiche Verarbeitungsmodee) KI-Programmierung Ð Aufgaben Entwurf, formae Spezifikation und Impementierung probemspezifischer Verarbeitungsmodee Programmierung in diesen Modeen Voraussetzung: angemessene Programmiersprachen mit mächtigen Mitten zum Aufbau und zur Verarbeitung kompexer symboischer Daten Frage nicht: sondern: Weches ist die grundsätzich bessere KI-Programmiersprache? Weche Sprache ist zur Impementierung eines Verarbeitungsmodes für eine bestimmte Probemkasse besser geeignet? 6. Voresung Methoden der KŸnstichen Inteigenz 3 6. Voresung Methoden der KŸnstichen Inteigenz 4

2 Warum Lisp Bedeutung erangte Entwickung von Lisp Lisp ist eine mathematische formae Sprache mit präziser formaer Beschreibung, die einen funktionaen Programmiersti unterstützt die Grundage eticher "höherer" Sprachen und KI- Entwickungswerkzeuge frühe Basissprache für viee KI-Systeme Fexibiität bestens geeignet (erfunden) für Symbomanipuation und Zuordnung von Information zu Symboen einfache Konstruktion neuer Datenstrukturen Befreiung von expiziter Speicherverwatung (garbage coection) uniforme Behandung von Daten und Programmen 1958 McCarthy (MIT) formuiert die Eigenschaften von LISP 1959 McCarthy schafft die theoretische Grundage ( Recursive Functions of Symboic Expressions and their Computation by Machine ) 1960/62 LISP1 / LISP 1.5 (MIT), ange ein Quasistandard JOHN McCARTHY 1966 BBN LISP (Bot, Beranek & Newman), MAC LISP (Project MAC am MIT), Asst. Professor of Mathematics 1973 BBN LISP in InterLISP-10 umbenannt in Dartmouth 1975 LISP Machine LISP, Scheme (MIT), FranzLISP (MAC LISP auf Unix, Berkeey), UCI-LISP 1977 LISP-Maschinen-Entwickung beginnt am MIT 1978 NIL für kommerziee timesharing-systeme 1980 ZetaLISP (Symboics), LM LISP (LMI), InterLISP-D (Xerox), SPICE LISP (CMU) 1981 LISP-Maschinen kommen auf den Markt, LeLISP 1982 S1 LISP für Supercomputer mit MutiProcessing (CMU, MIT, Lawrence Livermore Lab)... CommonLISP (viee Firmen und Institutionen) EuLISP, ISO LISP AutoLISP für AutoCAD-Systeme Voresung Methoden der KŸnstichen Inteigenz 5 6. Voresung Methoden der KŸnstichen Inteigenz 6 Wie funktioniert Lisp? Programmieren in Lisp (Basics) Lisp ist (in erster Linie) eine interpretierte Sprache. Ein Lisp-System stet eine Programmierumgebung zur Verfügung. Lisp-Ausdrücke werden geesen, evauiert, das Resutat gedruckt (read-eva-print oop). isp > 5 5 > > (+ 3 4) 7 > (* 2 3-1) -6 > (/ ( ) 3) 31 > (* 2 (_ 15 8)) Error: eva: Undefined function _ <1>: (return '-) 14 > (exit) Ae Programme sind Funktionen, d.h. erwarten 0 oder mehr Argumente geben genau einen Wert aus sind entweder vordefiniert oder nach Wunsch geschrieben Konsequenz: Programmieren = Funktionen schreiben Einführung weiterer Sprachkonstrukte (setq, car, cdr etc): -> angegebene Literatur > (defun square (num) (* num num)) square > (square 9) 81 > (defun in-order (first second third)) (cond ((> first second)(> second third)))) in-order > (in-order 3 2 1) t > (in-order 1 2 3) ni 6. Voresung Methoden der KŸnstichen Inteigenz 7 6. Voresung Methoden der KŸnstichen Inteigenz 8

3 Idee ogischer Programmierung Theorembeweiser Damit reduziert sich das Probemösen auf ein Formuierungsprobem. (Ideavorsteung; nicht in voem Umfang erreicht!) Probeme werden as ogische Aussagen formuiert (Theoreme, die man "anfragt"). Das zur Lösung eines Probems benötigte Wissen wird ebenfas in Form ogischer Aussagen formuiert (Axiome, die man "assertiert"). Die Lösung eines Probems besteht im Finden eines ogischen Beweises für das angefragte Theorem. Idee: Das Finden des Beweises wird einem automatischen Theorembeweiser übertragen, der den Beweis (sofern existent) konstruieren kann. u Grundage ogikorientierter Programmierung u basieren in vieen Fäen auf dem Resoutionsverfahren: agemeineres Schußverfahren as Modus ponens arbeitet auf Formen in Kausedarsteung u Resoutionsbeweiser sind zwar agemein angsam, für Hornkausen in der Aussagenogik jedoch sehr effizient u sind auf Kausen der Prädikatenogik (PL) erweiterbar und haben dort für Hornkausen immer noch Effizienzvorteie PROLOG 6. Voresung Methoden der KŸnstichen Inteigenz 9 6. Voresung Methoden der KŸnstichen Inteigenz 10 Von PL-Kausen zu ãregenò PROLOG: Hornkausen! x 1... x s (L 1... L m ) Lj: Literae (Atome oder negierte Atome) x 1... x s (A 1... A k C 1... C n ) Beschränkung auf Kausen mit höchstens einem nicht-negierten Atom: x1... xs ( A C1... Cn) x 1... x s (A 1... A k C 1... C n ) Kurzschreibweise as Rege : (A 1... A k C 1... C n ) Disjunktion von Atomen Konjunktion von Atomen x1... xs ( A C1... Cn) ( A C 1... C n ) Prozedurae Semantik: Um A zu zeigen, müssen die Cj gezeigt werden. 6. Voresung Methoden der KŸnstichen Inteigenz Voresung Methoden der KŸnstichen Inteigenz 12

4 Axiome formuieren in PROLOG Regebasiertes Programmieren Eine Definition von "Großvater": Für ae x, für ae y, für ae z git: x ist Großvater von y, wenn x Vater von z ist und z Vater von y. oder ganz forma: x y z (grossvater x y) (vater x z)(vater z y) Die entsprechende Definition "über die Mutter": x y z (grossvater x y) (vater x z)(mutter z y) * "kassische" Cocksin/Meish Syntax: grossvater(x Y) vater(x Z),vater(Z Y) In PROLOG geten ae Variaben as impizit aquantifiziert (die prozedurae Semantik eraubt Ersetzungen durch beiebige in der Wissensbasis vorh. Terme); Quantoren werden weggeassen: (grossvater x y) (vater x z),(vater z y) (grossvater x y) (vater x z),(mutter z y) Seien jetzt diese beiden Impikationen (Regen) assertiert, zusammen mit fogenden Fakten: (vater fritz hans) (vater fritz kara) (mutter kara peter) Zeige: Ist Fritz der Großvater von jemand? >(grossvater fritz u)? >(grossvater fritz peter) einer der Hauptansätze für die Ersteung größerer Systeme zur Lösung von Speziaaufgaben angebracht, wo Wissen über die Zusammenhänge zwischen Aufgabensituation und Aufgabenösungen verfügbar ist Grundidee: jede Rege entspricht einem Stück Wissen des Typs If <circumstances> then <do action, or concude something> "Was ist zu tun, wenn..." "Was ist anzunehmen, wenn..." mustergesteuerte Inferenzsysteme 6. Voresung Methoden der KŸnstichen Inteigenz Voresung Methoden der KŸnstichen Inteigenz 14 Eine abstraktere Sicht... u Bestandteie mustergesteuerter Inferenzsysteme 1. Eine Koektion reativ unabhängiger Modue, die durch aktuee Daten, die auf ihr trigger pattern passen, aktivierbar sind 2. eine oder mehrere dynamische Datenstrukturen, die durch ein aktives Modu inspiziert und verändert werden können 3. ein Interpreter, der die Auswah und Aktivierung von Moduen auf zykischer Basis steuert u Modue: z.b. ogische Kausen (wie in PROLOG) oder Produktionsregen (OPS5; CLIPS) Produktionsregen ãcondition-action StatementsÒ C1 C2... Cn A1 A2... Am Wenn C1 und C2... und Cn geten, dann führe A1 und A2... und Am aus. führe aus : nimm an, daß git (Impikation) ändere Wetzustand (Aktion) 6. Voresung Methoden der KŸnstichen Inteigenz Voresung Methoden der KŸnstichen Inteigenz 16

5 Perceive-Reason-Act-Scheife Recognize-Act-Cyce in OPS5 (anaog in CLIPS) PERCEIVE : Wahrnehmung von Probemmerkmaen REASON : Interne Verarbeitung und Probemösung ACT : Umsetzen der Probemösung in der Wet 1. MATCH : Prüfen sämticher Produktionsregen gegen Working Memory Eements --> Konfiktmenge 2. CONFLICT RESOLUTION : Wähe eine Produktionsrege mit erfüter Bedingungsseite aus. Bei eerer Konfiktmenge: Kontroe an den Benutzer 3. ACT : Ae Aktionen der ausgewähten Produktionsrege ausführen 4. Fas HALT-Aktion: Kontroe an den Benutzer; sonst: gehe zu Voresung Methoden der KŸnstichen Inteigenz Voresung Methoden der KŸnstichen Inteigenz 18 Aufbau eines Produktionssystems Regebasierte Probemšsung Regen sind moduar eichte Modifizierung einzener Regen mögich Produktionsregen u Abstrakt gesprochen besteht eine Probemösung darin, durch Anwendung der Regen ein bestimmtes Symbo (oder mehrere) in einem zu erzeugen. u Beispie. Sei gegeben: Aufbau der Regen entspricht einzenen Wissenseementen der Domäne ( Regewissen ) Inferenzmaschine Regeinterpreter Erkennung Aktion Erkennung Erkennung Aktion Aktion Konfiktmenge Konfiktmenge evauiere Konfiktmenge evauiere die evauiere von mögichen die die von von mögichen ausgewähte mögichen Regen ausgewähte ausgewähte Regen Rege Regen Rege Rege Zie: enthät C Regewissensbasis X,Y,Z X,Y S S,Z Y,T T S,Y A B X,T C 6. Voresung Methoden der KŸnstichen Inteigenz Voresung Methoden der KŸnstichen Inteigenz 20

6 VorwŠrtsverkettender Interpreter Lšsung mit VorwŠrtsverkettung Komponenten: u Datenbasis/ u Produktionsregen (1) DATA Ausgangsdatenbasis (2) Unti DATA erfüt Terminierungskriterium do (3) Begin (4) Wähe eine anwendbare Rege R (deren Bedingungstei durch DATA erfüt ist) (5) DATA Ergebnis der Anwendung des R-Aktionsteis auf DATA (6) End Voraussetzung über die Konfiktresoution: u Ignoriere Regen, die bereits im stehende Symboe nochmas eintragen würden u Berücksichtige Regen gemäß ihrer Reihenfoge im Regespeicher angewendete Rege X,Y,Z X,Y S X,Y,Z,S S,Z T X,Y,Z,S,T S,Y A X,Y,Z,S,T,A Y,T B X,Y,Z,S,T,A,B X,T C X,Y,Z,S,T,A,B,C 6. Voresung Methoden der KŸnstichen Inteigenz Voresung Methoden der KŸnstichen Inteigenz 22 Lšsung mit RŸckwŠrtsverkettung Programmierstie im Vergeich u nur soche Regen werden ausgewäht, die das gesuchte Symbo in den (AS) schreiben u sind sie (noch) nicht anwendbar Teizie: anwendbar machen Zie: C X,Y,Z Rege: X,T C X,Y,Z Teizie 1: X (schon im AS) X,Y,Z Teizie 2: T X,Y,Z Rege: S,Z T X,Y,Z Teizie 1: S X,Y,Z Rege: X,Y S X,Y,Z Teizie 1: X (im AS) X,Y,Z,S Teizie 2: Y (im AS) X,Y,Z,S,T,C Teizie 2: Z (im AS) Anweisungsbasierter Sti Programm = Sequenz von Befehen und Abfragen Programmierer egt fest, was getan wird und in wecher Reihenfoge Kontrofuß übersichtich, aber starr Lesen, spezie zu Lisp: u Charniak & McDermott, Kapite 2, Seite Regebasierter Sti Programm = Menge von Regen und Regeinterpreter festgeegt nur, was in einer Situation zu tun ist; Regeinterpreter bestimmt Abfoge Kontrofuß fexibe, aber evt. unübersichticher zu KI-Programmierung: u Görz, 2. Aufage: Kapite 9.1 (nach Bedarf) 6. Voresung Methoden der KŸnstichen Inteigenz Voresung Methoden der KŸnstichen Inteigenz 24